[发明专利]一种弹性模量提升的氮化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，公开了一种弹性模量提升的氮化硅复合材料及其制备方法。所述氮化硅复合材料由18.0～97.99wt.％的Si₃N₄，0.1～10.0wt.％的Y₂O₃，0.1～7.0wt.％的Al₂O₃，0.01～0.5wt.％的超细氮化硼多孔纤维，其余为WC以及不可避免的微量杂质组成。本发明中得到的氮化硅复合材料通过氮化硅液相会包覆超细氮化硼多孔纤维并填充其孔洞，具有突破混合法则局限的弹性模量。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种弹性模量提升的氮化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

弹性模量是材料的一种本征力学性能，主要由原子间化学键强度决定，对显微结构不敏感。实际复合材料的弹性模量可以通过混合法则计算，其测试值随着材料成分比例的变化在各相弹性模量的最大值和最小值之间浮动。实际材料的弹性模量会随着气孔率的增大而降低，然而全致密材料的弹性模量数值也即为改善的上限。

20世纪80年代，纳米材料开始蓬勃兴起。材料的弹性模量和强度等力学性能发生突变的最大临界尺寸被认为是100nm，即在这个尺度下可能材料的原子间作用力可能受到干预[金宗哲，包亦望，脆性材料力学性能评价与设计，北京：中国铁道出版社，1996，pp178]。然而，在后续几十年时间里，材料研究中涉及弹性模量根本改善的工作极少见到，绝大部分工作涉及弹性模量的部分都在混合法则范围内，即材料弹性模量的提高还是依赖本身具有高弹性模量的材料的比例提升来实现。然而这种方式也有其局限性，高弹性模量成分往往也造成了密度的提高，材料的比刚度即弹性模量和密度的比值可能出现下降，和机械设计领域对尽可能高的材料比刚度的需求相背离。

氮化硅材料是一种常见的耐高温陶瓷材料，常用于燃气轮机和发动机等领域，目前已经有比较成熟的研究。然而，弹性模量这一性能，依然有较大的局限性。由于这方面性能通常比较符合混合法则的预测，只有个别文献会专门列出此类数据。随着氮化钛含量增加而提升的氮化硅复合材料弹性模量如表1所示[Gurdial Blugan,et al.Fractography,mechanical properties,and microstructure of commercial silicon nitride-titanium nitride composites.Journal of the American ceramic society,2005,88[4],926-933]。

表1

另外，氮化硅做为第二相而导致碳化钨复合材料弹性模量下降的情况如表2所示[Donghai Zheng,et al.WC-Si₃N₄ composites prepared by two-step spark plasmasintering]。

表2

从表2也可反向推论高弹性模量碳化钨成分增加后的氮化硅材料的变化。通常复合材料中体积分数超过50％的相即为基体相。由于氮化硅密度较小，在质量比上，高弹性模量第二相可以远远超过氮化硅。然而如前所述，高弹性模量第二相的添加会导致密度上升对提升机械设计人员所期望的高比刚度并非特别有利。